孔彦龙-降水同位素演化与水汽源.pdf

第一届中国同位素水文学论坛 降水同位素演化与水汽源 孔彦龙 中国科学院地质与地球物理研究所 ylkong@mail.iggcas.ac.cn 2020-11-04 研究方向：同位素水文地质 气候变化与人类活动背景下的 地下水系统响应是地下水资源 开发利用与地下水生态环境效 应的关键科学问题。 需要从地球系统论的角度，开展 大气水-地表水-地下水（“三水 ”）协同研究。边界是系统论的 基本概念，“三水”界面关键水 文过程的量化识别，是回答上述 科学问题的基础 2020/11/15 2 主要内容 2020/11/15 ◼ 降水同位素演化与时空变化 ◼ 降水同位素分馏的控制机理 ◼ 实际应用 ◼ 主要结论 3 降水同位素地理效应 大陆效应 高程效应 谁主导降水同位素演化：水汽源还是 本地气象过程？ 温度效应 降水量效应 季节效应 纬度效应 Dansgaard, 1964 水汽源区与同位素空间变化高度一致 18O δ2 H 氘盈余d = δ2H-8*18O Kong et al., 2019a 降水同位素演化的时间尺度解构 Atmospheric 3D model Resolution: 96x72x19 ➢ SWING2 (9 models) (Stable Water Isotope Inter-comparison Group, Phase 2) Monthly data (2001-2003) ➢ LMDZ (Laboratoire de Météorologie Dynamique zoomed) Daily data (2017) Shi et al., 2020, JGR 降水同位素演化的时间尺度解构 δD = δDseaso + δDintra + δDsynop Three different time scales: δDseaso is the seasonal signal δDseaso = δD30 δDintra is the intra-seasonal signal δDintra = δD10 – δD30 δDsynop is the synoptic signal δDsynop = δD - δD10 将δD 信号转变为季节、季内及场景三种时间尺度 Shi et al., 2020, JGR 水汽源区控制同位素季节尺度变化 模型拟合的同位素值 与观测值的相关性 Shi et al., 2020, JGR 降水同位素的演化过程 2020/11/15 9 水汽再循环影响下的水同位素温度效应 水汽再循环导致水同位素温度效应“消失” 东天山观测的降水同位素-温度关系 石羊河观测的降水同位素-温度关系 Pang et al., 2011; Li et al., 2013 反高程梯度 降水梯度值：0.12 ‰/100m 全球平均值：-0.28 ‰/100m；范围： -0.1~-0.5 ‰/100m 氘盈余d = δ2H – 8*δ18O （Dansgaard，1964) 乌鲁木齐河流域降水同位素随高程的变化 乌鲁木齐河流域降水氘盈余随高程的变化 Kong and Pang, 2016, JH 西北水同位素研究 收集了西北地区不同流域的地表水和地下水同位素数据 准格尔盆地(Kong and Pang, 2012; Li et al., 2015)； 塔里木河流域 (Pang et al., 2010; Kong et al.,2014),； 酒泉盆地(He et al., 2012); 巴丹吉林流域 (Gates et al., 2008); 民勤盆地(Edmunds et al., 2006) ； 黑河流域(Chen et al., 2006; Qin et al., 2011) 西北水同位素分布：受再循环和蒸发的影响 ① 山区水同位素点分布在雨水线左上侧 ② 盆地水同位素分布在雨水线右下侧 Kong and Pang, 2016, JH 梅里雪山明永冰川区的水同位素分布 (1) 地下水和冰川融水的点都分布在雨水线左上侧; (2) 地下水线和冰川融水线的斜率都小于雨水线; (3) 地下水和冰川融水的平均值均显著高于降水加权均值. 2020/11/15 Kong et al., 2019, JGR 14 再冻结过程的定量模拟 再冻结过程遵循瑞利分馏过程，模型获得的同位素分布和融水线斜率与观测结果 一致；地下水是冰川融水和降水混合的结果，各占46±22% 和54±22%。 相似的同位素分布与斜率 2020/11/15 Kong et al., 2019, JGR 15 降雪同位素演化与水汽源 玉龙雪山表层雪同位素变化 玉龙雪山雪坑同位素变化 Pu et al., 2020, JH；WRR 2020/11/15 16 大量融化的冰川是否入渗补给了地下水? Gao et al., 2019, Nature 2020/11/15 Wang et al., 2018, Nature-Geoscience 17 主要结论 1. 水汽源是降水同位素演化的主控因素； 2. 雨水线之上的水同位素受控于水汽再循环和再冻结等过程； 3. 水同位素可用于定量评估水汽再循环、再冻结和地下水补给等过 程。 2020/11/15 18 更多信息…… ◼ ◼ ◼ Pu, T., Wang, K., Kong, Y., Shi, X., Kang, S., Huang, Y., et al. (2020). Observing and modeling the isotopic evolution of snow meltwater on the southeastern Tibetan Plateau. Water Resources Research, 56, e2019WR026423. https://doi.org/10.1029/2019WR026423. Pu, T., Kong, Y., Wang, S. et al. (2020). Modification of stable isotopes in snow and related post-depositional processes on a temperate glacier of Mt. Yulong, southeast Tibetan Plateau, Journal of Hydrology, 584, 124675. Kong, Y., Wang, K., Pu, T & Shi, X. (2019). Nonmonsoon precipitation dominates groundwater recharge beneath a monsoon affected glacier in Tibetan Plateau, J. Geophys.Res. Atmos., 124, 10, 10913-10930, doi: 10.1029/2019JD030492 ◼ Kong, Y., Wang, K., Li, J. & Pang, Z. (2019). Stable Isotopes of Precipitation in China: A Consideration of Moisture Sources, Water, 11, 1239; doi:10.3390/w11061239 ◼ Kong Y and Pang Z, 2016. A positive altitude gradient of isotopes in the precipitation over the Tianshan Mountains: Effects of moisture recycling and sub-cloud evaporation, Journal of Hydrology, http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.09.007. ◼ Kong Y and Pang Z, 2016. What is the primary factor controlling trend of Glacier No. 1 runoff in the Tianshan Mountains: temperature or precipitation change?, Hydrology Research, doi: 10.2166/nh.2016.190. ◼ Kong, Y., Pang, Z. and Froehlich, K., 2013. Quantifying recycled moisture fraction in precipitation of an arid region using deuterium excess, Tellus B doi: 10.3402/tellusb.v65i0.19251 ◼ Kong, Y. and Pang, Z., 2012. Evaluating the Sensitivity of Glacier Rivers to Climate Change based on Hydrograph Separation of Discharge, Journal of Hydrology 434– 435 , 121–129. ◼ Kong, Y., Pang, Z., Li, J., and Huang, T. Seasonal variations of water isotopes in the Kumalak River catchments, Western Tianshan Mountains, Central Asia, Fresenius Environmental Bulletin, 23(1), 169-174, 2014. ◼ Kong, Y. and Pang, Z., 2014. Statistical analysis of stream discharge in response to climate change for Urumqi river catchment, Tianshan Mountains, Central Asia, Quaternary International, 336, 44-51. 谢谢大家！ 感谢中科院庞忠和研究员、何元庆研究员 和杨威副研究员的帮助！感谢基金委重大 研究计划“西南河流源区径流变化和适应 性利用”的资助。